JP5397387B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子型燃料電池の水分量を推定する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system for estimating the water content of a polymer electrolyte fuel cell.
従来から広く知られているように、固体高分子型燃料電池で効率良く発電を行うには、電解質膜を適度な湿潤状態とし、燃料電池内の水分量を過不足な状態にしないことが望ましい。燃料電池のセル面内における水分量を制御する技術として、例えば特許文献1に記載のものが知られている。この特許文献1は、反応ガス(空気に代表される酸化ガス及び水素ガスに代表される燃料ガスの総称。)の圧力、湿度、温度、流量及び流路形状による圧損特性の少なくとも一つを調整して、セル面内の液滴または水蒸気としての水分量の分布を制御することを開示している。
しかしながら、実際の単セルでは、アノード電極とカソード電極との間で電解質膜を通った水分の移動がある。この点、特許文献1では、電極間の水移動を考慮しておらず、セル面内における水分量の分布を精度良く推定し制御することが難しい。
However, in an actual single cell, there is moisture movement through the electrolyte membrane between the anode electrode and the cathode electrode. In this regard,
また、特許文献1は、燃料電池システムの停止後の放置中に水分量の分布を推定し制御することは何ら開示していない。実際、燃料電池システムの放置中では、水蒸気分圧差(温度差)によりカソード電極側に溜まった水が電解質膜を介してアノード電極側へと移動する。その結果、燃料電池システムを次に始動するときに、アノード電極側流路の残水量が多くて、その圧損が高い状態になっている場合もある。このため、再始動したときにアノード電極への水素ガスの供給が不足し、単セルのMEAが劣化するおそれがある。
Further,
本発明は、放置中の水分量の推定精度を向上することができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of improving the estimation accuracy of the amount of moisture being left.
上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、アノード電極、カソード電極、これらの間の電解質膜、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路、及び、カソード電極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路を有する単セルを複数積層した燃料電池と、電解質膜を介してアノード電極とカソード電極との間で行われる水移動と、当該燃料電池システムの停止から再始動されるまでの放置期間中に前記各単セルの温度を複数回算出して得られる当該各単セルの降温プロファイルと、を考慮して、当該放置期間中の各単セルのセル面内における燃料ガス流路の残水量分布を推定する推定部と、前記推定された残水量分布から把握される前記燃料ガス流路における残水量の総量が所定の閾値に達した場合に、前記燃料ガス流路に対して掃気処理を実行する運転制御部と、を備えたものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention comprises an anode electrode, a cathode electrode, an electrolyte membrane between them, a fuel gas flow path for supplying fuel gas to the anode electrode, and an oxidizing gas supplied to the cathode electrode A fuel cell in which a plurality of single cells each having an oxidizing gas flow path are stacked, water movement performed between the anode electrode and the cathode electrode via the electrolyte membrane, and from the stop to restart of the fuel cell system In consideration of the temperature drop profile of each single cell obtained by calculating the temperature of each single cell multiple times during the standing period, the fuel gas flow path in the cell surface of each single cell during the standing period an estimation unit for estimating a residual water content distribution, when the total amount of the residual water content in the fuel gas flow path which is grasped from said estimated residual water content distribution reaches a predetermined threshold value, to the fuel gas flow passage And operation control unit for executing air treatment, those having a.
本発明によれば、電極間の水移動を考慮しているので、セル面内のみならずセル積層方向の残水量分布の推定精度を向上することができる。また、放置期間中に取得した各単セルの降温プロファイルも考慮しているので、放置期間中の水移動を精度良く把握することができる。すなわち、本発明者らは、どのような温度プロファイルとなるかで、セル積層方向における単セル間の温度分布が異なり、電極間温度差による燃料ガス流路への水移動量が異なることを見出したところ、上記の本発明のように放置期間中の降温プロファイルを取得して考慮することで、単セル間の温度分布の推移を推定することが可能となり、放置期間中の燃料ガス流路の残水量を精度良く推定することができる。そして、推定の結果、残水量(総量)が所定の閾値に達した場合には、その対策制御として掃気処理を実行するので、燃料ガス流路内の残水を減らすことができ、結果、システム放置中に燃料ガス流路で水詰りが発生するのを抑制することができる。よって、システム再始動時に燃料ガス供給不足を抑制することができる。また、システム再始動時又はシステム停止時に掃気処理する場合には、その時間を短縮することも可能となる。
なお、推定部は、前記水移動を考慮して、各単セルのセル面内における酸化ガス流の残水量分布及び電解質膜の含水量分布の少なくとも一つを推定することが好ましい。
According to the present invention, it is possible to improve since the consideration of the water transfer between electrodes, in the cell lamination direction not in the cell surface only the estimation accuracy of residual water distribution. Further, since also consider lowering profile of each single cell obtained during the unused period, Ru can be accurately grasped water movement during the unused period. That is, the present inventors have found that the temperature distribution between single cells in the cell stacking direction differs depending on the temperature profile, and the amount of water movement to the fuel gas flow path due to the temperature difference between the electrodes differs. However, it is possible to estimate the transition of the temperature distribution between the single cells by acquiring and considering the temperature drop profile during the leaving period as in the present invention, and the fuel gas flow path during the leaving period can be estimated . The amount of remaining water can be estimated accurately. As a result of the estimation, when the remaining water amount (total amount) reaches a predetermined threshold value, the scavenging process is executed as a countermeasure control , so that the remaining water in the fuel gas channel can be reduced, resulting in the system It is possible to suppress the occurrence of water clogging in the fuel gas flow path during leaving. Therefore, fuel gas supply shortage can be suppressed at the time of system restart. In addition, when the scavenging process is performed when the system is restarted or the system is stopped, the time can be shortened.
Note that the estimation unit preferably estimates at least one of the residual water amount distribution of the oxidizing gas flow and the water content distribution of the electrolyte membrane in the cell plane of each single cell in consideration of the water movement.
以下の説明では、燃料電池システムの停止、放置及び再始動をそれぞれ「システム停止」、「システム放置」及び「システム再始動」と略記する場合がある。 In the following description, the stop, leave, and restart of the fuel cell system may be abbreviated as “system stop”, “system leave”, and “system restart”, respectively.
好ましくは、燃料電池システムは、燃料電池に関する温度を検出する温度センサを更に備え、推定部は、温度センサにより検出された一つの温度を用いて、各単セルの温度を算出するとよい。 Preferably, the fuel cell system further includes a temperature sensor that detects a temperature related to the fuel cell, and the estimation unit may calculate the temperature of each single cell using one temperature detected by the temperature sensor.
これにより、全ての単セルに対して個々に温度センサを設ける場合に比べて、部品点数及びコストを低減しながら各単セルの温度情報を取得することができる。 Thereby, the temperature information of each single cell can be acquired while reducing the number of parts and the cost as compared with the case where temperature sensors are individually provided for all the single cells.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。先ず、燃料電池及びその水分量推定装置を含む燃料電池システムの概要について説明し、次いで、燃料電池の水分量の推定及びその推定を利用した制御例について説明する。以下では、燃料ガスとして水素ガスを例に説明し、酸化ガスとして空気を例に説明し、燃料ガス及び酸化ガスを反応ガスと総称することがある。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. First, an outline of a fuel cell system including a fuel cell and a moisture amount estimation device thereof will be described, and then an estimation of the moisture amount of the fuel cell and a control example using the estimation will be described. Hereinafter, hydrogen gas will be described as an example of fuel gas, air will be described as an example of oxidizing gas, and fuel gas and oxidizing gas may be collectively referred to as reaction gas.
A.燃料電池の概要
図1及び図2に示すように、スタック構造の燃料電池1は、固体高分子電解質型の単セル2を複数積層してなるセル積層体3を有する。セル積層体3の両端にある単セル2(以下、「端部セル2a」という。)の外側に、それぞれ、集電板5a、5b、絶縁板6a、6b及びエンドプレート7a、7bが配置される。テンションプレート8,8がエンドプレート7a、7b間に架け渡されてボルト9で固定され、エンドプレート7bと絶縁板6bとの間に弾性モジュール10が設けられる。 A. Overview of Fuel Cell As shown in FIGS. 1 and 2, a
水素ガス、空気及び冷媒は、エンドプレート7aの供給口11a,12a及び13aに接続した供給管14からセル積層体3内のマニホールド15aに供給される。その後、水素ガス、空気及び冷媒は、単セル2の平面方向に流れて、セル積層体3内のマニホールド15bに至り、エンドプレート7aの排出口11b,12b及び13bに接続した排出管16から燃料電池1外に排出される。なお、供給管14、マニホールド15a,15b及び排出管16は、水素ガス、空気及び冷媒の各流体に対応して設けられているが、図2では同一符号を付して説明を省略している。
Hydrogen gas, air and refrigerant are supplied to the
図3に示すように、単セル2は、MEA20及び一対のセパレータ22A,22Bを備える。MEA20(膜―電極アッセンブリ)は、イオン交換膜からなる電解質膜23と、電解質膜23を挟んだアノード電極24A及びカソード電極24Bと、で構成される。電極24Aにはセパレータ22Aの水素流路25Aが面し、電極24Bにはセパレータ22Bの空気流路25Bが面する。また、セパレータ22A,22Bの冷媒流路26A,26Bが、隣接する単セル2,2間で連通する。
As shown in FIG. 3, the
図4は、セパレータ22Aの平面図である。セパレータ22Aは、水素流路25Aの外側にそれぞれ貫通形成された水素入口27a、空気入口28a、冷媒入口29a、水素出口27b、空気出口28b及び冷媒出口29bを有する。入口27a、28a及び29aは、それぞれの流体に対応するマニホールド15aの一部を構成し、同様に、出口27b、28b及び29bは、それぞれの流体に対応するマニホールド15bの一部を構成する。
FIG. 4 is a plan view of the
セパレータ22Aでは、水素ガスが入口27aから水素流路40に導入され、出口27bへと排出される。この点、冷媒の流れも同様である。また、詳述しないが、セパレータ22Aと同様に構成されたセパレータ22Bでも、その平面方向に空気が流れる。このようにして、単セル2内の電極24A、24Bに水素ガス及び空気が供給され、それによりMEA20内で電気化学反応が生じ、起電力が得られる。また、この電気化学反応により、電極24B側に水が生成されると共に発熱する。そして、冷媒が流れることで、各単セル2の熱が低減される。
In the
図5A〜Cは、本実施形態を適用可能なセパレータの他の流路形状を示す概略平面図である。図4に示した直線溝流路(凹凸の繰り返しが一方向に延びるもの。)の態様に代えて、図5Aに示すように、流路25A、25B、26A,26Bの流路形状を、途中に折り返し部があるサーペンタイン流路形状とすることもできる。また、図5Bに示すように、流路25A,25B,26A,26Bを波状とすることもできるし、図5Cに示すように、凹凸をなくした平板状とすることもできる。さらに、反応ガスの流し方についても、図1及び図4から理解されるようなコフロータイプ(水素ガス及び空気が同方向に流れる。)に代えて、水素ガスと空気とが逆方向に流れるカウンターフロータイプを採用することもできる。また、セパレータ22A,22Bの向きも縦、横のどちらでもよい。つまり、後述する燃料電池1の水分量の推定は、燃料電池1のハード構成に限定されるものではない。
5A to 5C are schematic plan views showing other channel shapes of the separator to which the present embodiment can be applied. Instead of the form of the straight groove flow path (repetitive irregularities extend in one direction) shown in FIG. 4, the flow path shapes of the
B.燃料電池システムの概要
図6に示すように、燃料電池システム100は、空気配管系300、水素配管系400、冷媒配管系500及び制御装置600を備える。燃料電池システム100は、車両、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体に搭載できるほか、定置型電源にも適用可能である。ここでは、自動車に搭載した燃料電池システム100を例に説明する。 B. Overview of Fuel Cell System As shown in FIG. 6, the
空気配管系300は、燃料電池1に空気を給排するものであり、加湿装置30、供給流路31、排出流路32及びコンプレッサ33を有する。コンプレッサ33により大気中のエア(低湿潤状態の空気)が取り込まれて加湿装置30に圧送され、加湿装置30にて高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換が行われる。その結果、適度に加湿された空気が供給流路31から燃料電池1に供給される。排出流路32には、燃料電池1のエア背圧を調整する背圧弁34が設けられる。また、背圧弁34の近傍には、エア背圧を検出する圧力センサP1が設けられる。コンプレッサ33には、燃料電池1へのエア供給流量を検出する流量センサF1が設けられる。
The
水素配管系400は、燃料電池1に水素ガスを給排するものであり、水素供給源40、供給流路41、循環流路42及びシャットバルブ43などを有する。水素供給源40からの水素ガスは、レギュレータ44によって減圧された後、インジェクタ45によって流量及び圧力を高精度に調整される。その後、水素ガスは、循環流路42上の水素ポンプ46によって圧送された水素オフガスと合流点Aで合流して、燃料電池1に供給される。循環流路42には、パージ弁48付きのパージ路47が分岐接続されており、パージ弁48を開弁することで、水素オフガスが排出流路32に排出される。合流点Aの下流側には、燃料電池1への水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサP2が設けられる。また、水素ポンプ46には、流量センサF2が設けられる。なお、別の実施態様では、燃料オフガスを水素希釈器などに導入してもよいし、循環流路42に気液分離器を設けてもよい。
The
冷媒配管系500は、燃料電池1に冷媒(例えば冷却水)を循環供給するものであり、冷却ポンプ50、冷媒流路51、ラジエータ52、バイパス流路53及び切替え弁54を有する。冷却ポンプ50は、冷媒流路51内の冷媒を燃料電池1内へと圧送する。冷媒流路51は、燃料電池1の冷媒入口側にある温度センサT1と、燃料電池1の冷媒出口側にある温度センサT2と、を有する。ラジエータ52は、燃料電池1から排出される冷媒を冷却する。切替え弁54は、例えばロータリーバルブにより構成され、必要に応じて、ラジエータ52とバイパス流路53との間で冷媒の通流を切り替える。
The
制御装置600は、内部にCPU,ROM,RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成される。制御装置600には、各配管系300,400,500を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサ(P1,P2,F1,F2,T1,T2)の検出情報が入力される。また、制御装置600には、燃料電池1が発電した電流値を検出する電流センサ61の検出情報のほか、外気温センサ62、車速センサ63、アクセル開度センサなどの検出情報が入力される。制御装置600は、これら検出情報等に応じて、システム100内の各種機器(コンプレッサ33、シャットバルブ43、インジェクタ45、水素ポンプ46、パージ弁48、冷却ポンプ50、切替え弁54など)を制御し、燃料電池システム100の運転を統括制御する。また、制御装置600は、各種検出情報を読み込み、ROMに格納されている各種マップを利用して、燃料電池1の水分量を推定する。
The
図7に示すように、制御装置600は、燃料電池1の水分量を推定してそれに基づく制御を実現するための機能ブロックとして、記憶部65、検出部66、推定部67及び運転制御部68を備える。記憶部65は、燃料電池1の水分量の推定及び制御を実現するための各種のプログラムや、各種のマップを記憶する。なお、マップは、実験又はシミュレーションにより事前に得られたものである。検出部66は、各種センサ(P1,P2,F1,F2,T1,T2,61〜63)などの検出情報を読み込む。運転制御部68は、推定部67による推定結果に基づいて、各種機器に制御指令を送信し、燃料電池1が所望の運転状態(例えば水分状態、温度状態など)となるように運転を制御する。このとき、運転制御部68は、必要に応じて、アノード側とカソード側とを区別した制御を実行する。
As illustrated in FIG. 7, the
推定部67は、検出部66で取得された情報に基づいて、記憶部65にある各種マップを参照して燃料電池1の水分量を推定する。具体的には、推定部67は、電解質膜23を介して電極24A、24B間で行われる水移動を考慮し、単セル2のセル面内における残水量分布及び含水量分布を推定する。また、推定部67は、各単セル2の積層方向(以下、セル積層方向という。)の残水量分布及び含水量分布も推定する。
The
ここで、「セル面内」とは、単セル2の平面方向(図4の紙面と平行な方向をいい、セル積層方向と直交する方向をいう。)における単セル2の内部を意味する。「残水量」とは、単セル2の反応ガス流路内に存在する液水の量を意味する。反応ガス流路とは、水素流路25A及び空気流路25Bを総称した概念である。「含水量」とは、単セル2の電解質膜23に含まれる水の量を意味する。
Here, “in the cell plane” means the inside of the
C.燃料電池の水分量の推定方法
本実施形態の水分量の推定方法では、残水量と含水量とを区別して推定し、その際、アノード側とカソード側とを分けて残水量分布を推定する。また、残水量と含水量とについて、セル面内での分布のみならずセル積層方向での分布も推定する。以下では、先ず、セル面内での水分布(残水量分布及び含水量分布)の推定方法について説明する。次いで、推定に際してセル積層方向の温度バラツキ・配流バラツキをどのように考慮するかについて説明し、セル積層方向での水分布の推定方法に言及する。 C. Method for Estimating Moisture Content of Fuel Cell In the moisture content estimation method of the present embodiment, the residual water amount and the water content are estimated separately, and at that time, the residual water amount distribution is estimated separately for the anode side and the cathode side. Further, regarding the residual water content and the water content, not only the distribution in the cell plane but also the distribution in the cell stacking direction is estimated. Below, the estimation method of the water distribution (residual water amount distribution and water content distribution) in the cell plane will be described first. Next, how to consider the temperature variation / distribution variation in the cell stacking direction for estimation will be described, and a method for estimating the water distribution in the cell stacking direction will be described.
1.セル面内での水分布の推定方法
図8に示すように、先ず、電流値I、セル入口温度Tin,i、セル出口温度TOUT,i、エア流量Qair,i、水素流量QH2,i、エア背圧Pair,i及び水素圧PH2,iを読み込む(ステップS1)。 1. Method for Estimating Water Distribution in Cell Surface As shown in FIG. 8, first, current value I, cell inlet temperature T in, i , cell outlet temperature T OUT, i , air flow rate Q air, i , hydrogen flow rate Q H2 , I , air back pressure P air, i and hydrogen pressure PH 2, i are read (step S1).
ここで、電流値Iは、電流センサ61によって検出されたものである。セル入口温度Tin,i等における下付き添え字の「i」は、セル積層体3における単セル2の位置を示すセルチャンネルである。具体的には、図9に示すセル積層体3をモデルにした場合、反応ガスの供給口(図1の供給口11a,12aに相当する。)及び排出口(図1の排出口11b,12bに相当する。)に最も近い端部セル2aのセルチャンネル「i」は1となる。200枚の単位セル2が積層されている場合には、もう一方の端部セル2aのセルチャンネル「i」は200となる。Here, the current value I is detected by the
セル入口温度Tin,i及びセル出口温度TOUT,iは、それぞれ、単セル2(セルチャンネル:i)の冷媒入口29a及び冷媒出口29bでの冷媒温度である。エア流量Qair,i及び水素流量QH2,iは、それぞれ、単セル2iの空気入口28a及び水素入口27aに流入する空気及び水素ガスの供給流量である。エア背圧Pair,i及び水素圧PH2,iは、それぞれ、単セル2iの空気出口28b及び水素入口27aでの空気及び水素ガスの圧力である。燃料電池が一つの単セル2しか有しない場合や、セル積層方向の温度バラツキ・配流バラツキを考慮しない場合は、次のとおりとなる。
Tin,i:温度センサT1による検出値
TOUT,i:温度センサT2による検出値
Qair,i:流量センサF1による検出値
QH2,i:流量センサF2による検出値から求めた水素供給流量
Pair,i:圧力センサP1による検出値
PH2,i::圧力センサP2による検出値The cell inlet temperature T in, i and the cell outlet temperature T OUT, i are the refrigerant temperatures at the
T in, i : detected value by temperature sensor T 1 T OUT, i : detected value by temperature sensor T 2 Q air, i : detected value by flow sensor F 1 Q H 2, i : hydrogen supply flow rate obtained from detected value by flow sensor F 2 P air, i : detected value by pressure sensor P 1 P H2, i:: detected value by pressure sensor P 2
一方、燃料電池1が複数の単セル2を有する場合には、セル積層方向の位置に応じて放熱量や圧損等が異なるので、単セル2間で放熱量バラツキ並びに反応ガス及び冷媒の配流バラツキがある。したがって、この点を考慮したセル入口温度Tin,i等を用いることが望ましい。この考慮の仕方については後述する。On the other hand, when the
なお、セル入口温度Tin,i等として用いる各検出値は、上記センサ以外のセンサや算出方法による値を用いることもできる。換言すると、温度センサ、流量センサ及び圧力センサは、図6に示す以外の位置にも設けられてもよく、その数及び位置は、適宜設計変更することができる。例えば、水素流量センサを燃料電池1の水素供給口11aの近くに設けて、その検出値を水素流量QH2,iとして用いるようにしてもよい。また、セル入口温度Tin,i及びセル出口温度TOUT,iは端部セル2aもしくはエンドプレート7a,7bに温度センサを取り付けることで、推定することも可能である。このように、冷媒の温度に代えて燃料電池スタック自体の温度を測定することで、より精度の高い水分推定が可能となる。It should be noted that each detected value used as the cell inlet temperature T in, i or the like can be a value other than the above sensor or a value obtained by a calculation method. In other words, the temperature sensor, the flow rate sensor, and the pressure sensor may be provided at positions other than those shown in FIG. 6, and the number and positions can be appropriately changed in design. For example, a hydrogen flow sensor may be provided near the
図8に示すステップS2では、セル入口温度Tin,iから各単セル2iのカソード入口露点Td、CA及びアノード入口露点Td、ANを算出する。本実施形態では、燃料電池システム1に加湿器30が用いられているので、カソード入口露点Td、CA及びアノード入口露点Td、ANとして、それぞれセル入口温度Tin,iを用いることができる。すなわち、空気入口28a及び水素入口27aが冷媒入口29aに近い場合は、次のとおり表すことができ、露点の積層バラツキを考慮することができる。
Td、CA=Td、AN=Tin,i At step S2 shown in FIG. 8, the cell inlet temperature T in, cathode inlet dew point of each single cell 2 i from i T d, CA and the anode inlet dew point T d, and calculates the AN. In the present embodiment, since the humidifier 30 is used in the
Td, CA = Td, AN = Tin , i
なお、ステップS2では、セル出口温度Tout,iから各単セル2iのカソード入口露点Td、CA及びアノード入口露点Td、ANを算出してもよい。また、別の実施態様によれば、露点計を用いてもよい。例えば、燃料電池システム1に加湿器が用いられていない場合や、セル入口温度Tin,iを利用しない場合には、燃料電池1のスタック入口(アノード側供給口11a及びカソード側供給口12a)にそれぞれ露点計を設置し、その検出値をカソード入口露点Td、CA及びアノード入口露点Td、ANと設定することもできる。こうすることで、より精度の高い推定が可能となる。In step S2, a cell outlet temperature T out, the cathode inlet dew point of each single cell 2 i from i T d, CA and the anode inlet dew point T d, may be calculated AN. According to another embodiment, a dew point meter may be used. For example, when no humidifier is used in the
また、空気配管系300に加湿器30が搭載されていないエア系無加湿システムでは、カソード入口露点Td、CAを0℃として計算することもできる。あるいは、外気温及び外部湿度センサにより、カソード入口露点Td、CA を外気温及び外部湿度の関数によって計算することも可能である。つまり、本推定方法は無加湿システムにも適用可能である。
Further, in an air-based non-humidified system in which the humidifier 30 is not mounted in the
図8に示すステップS3では、電極24A,24B間の水移動速度VH2O、CA→ANを求める。水移動速度VH2O、CA→ANは、次式により算出される。
VH2O、CA→AN=DH2O×(PH2O、CA−PH2O、AN)In step S3 shown in FIG. 8, the water movement speed V H2O between the
VH2O, CA-> AN = DH2O * ( PH2O, CA- PH2O, AN )
ここで、PH2O、CAは、単セル2iの電極24B側の水蒸気分圧であり、カソード入口露点Td、CAにより算出される。また、PH2O、ANは、単セル2iの電極24A側の水蒸気分圧であり、アノード入口露点Td、ANにより算出される。DH2Oは、電解質膜23中の水拡散係数である。DH2Oは、一定値を用いることもできるが、湿度により変化するものであるため、この点を考慮することが望ましい。 Here, P H2 O, CA is a water vapor partial pressure of the
例えば、図10に示すような電解質膜23の相対湿度とDH2Oとの関係を表す特性マップを予め作成しておき、この特性マップを用いて電解質膜23の相対湿度に対応するDH2Oの値を用いることができる。具体的には、燃料電池ステム1の前回運転におけるシャットダウン時に推定した電解質膜23の相対湿度α、燃料電池ステム1の放置(停止)中に推定した電解質膜23の相対湿度α、又は、燃料電池ステム1において今回の推定の直前に推定した電解質膜23の相対湿度αを用いて、今回の推定に用いるDH2Oの値(β)をマップから決定することができる。For example, a characteristic map representing the relationship between the relative humidity of the
図8に示すステップS4では、水移動速度VH2O、CA→AN、露点Td、CA、露点Td、AN、温度TOUT,i、エア背圧Pair,i、水素圧PH2,i、エア流量Qair,i、水素流量QH2,i及び電流値Iから、マップを用いて電流密度ix(ただし、xは任意の自然数。)を算出する。電流密度ixは、セル面内の任意の面積での電流密度であり、例えばx=4のときの各面積をs1〜s4とすると、I=i1×s1+i2×s2+i3×s3+i4×s4となる。電流密度ixの分布を算出した結果の一例を図11に示す。In step S4 shown in FIG. 8, the water movement speed VH2O, CA → AN , dew point Td, CA , dew point Td, AN , temperature TOUT, i , air back pressure Pair, i , hydrogen pressure PH2, i From the air flow rate Q air, i , the hydrogen flow rate Q H2, i and the current value I, a current density i x (where x is an arbitrary natural number) is calculated using a map. Current density i x is the current density at any area of the cell surface, for example, each area when the x = 4 and s 1 ~s 4, I = i 1 ×
また、ステップS4では、セル面内の電流分布及び相対湿度分布を算出する。これらを示す関数I及びRHは、以下のとおり表される。なお、関数I及びRHのそれぞれのパラメータ(Td、CA、Td、AN、TOUT,i、Pair,i、PH2,i、Qair,i、QH2,i、VH2O、CA→AN、ix)に対する感度が予めマップ化される。また、これらのパラメータにより、セル面内の過電圧分布も算出するようにしてもよい。
I=f(Td、CA、Td、AN、TOUT,i、Pair,i、PH2,i、Qair,i、QH2,i、VH2O、CA→AN、ix)
RH=f(Td、CA、Td、AN、TOUT,i、Pair,i、PH2,i、Qair,i、QH2,i、VH2O、CA→AN、ix)In step S4, a current distribution and a relative humidity distribution in the cell plane are calculated. Functions I and RH indicating these are expressed as follows. In addition, each parameter ( Td, CA , Td, AN , TOUT, i , Pair, i , PH2, i , Qair, i , QH2, i , VH2O, CA of the functions I and RH → Sensitivity to AN , i x ) is mapped in advance. Further, the overvoltage distribution in the cell plane may be calculated from these parameters.
I = f (T d, CA , T d, AN, T OUT, i, P air, i, P H2, i, Q air, i, Q H2, i, V H2O, CA → AN, i x)
RH = f (T d, CA , T d, AN, T OUT, i, P air, i, P H2, i, Q air, i, Q H2, i, V H2O, CA → AN, i x)
図12は、ステップS4で算出したセル面内の相対湿度分布(反応ガス流路及び電解質膜の相対湿度分布)の一例を示す図である。図12において、セル面内位置に関連して水素ガス及び空気の流れが示されるように、本実施形態ではカウンターフローの流路形態を例にしている。図12に示されるように、AN流路(水素流路25A)では水素入口27aから水素出口27bにかけて相対湿度が100%を越えて過飽和の状態にある一方、CA流路(空気流路25B)では空気出口28b側で相対湿度が100%を下回る。また、電解質膜23では、その中央部(単セル2の中心部)が過飽和の状態になっている。
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of the relative humidity distribution in the cell plane (relative humidity distribution of the reaction gas flow path and the electrolyte membrane) calculated in step S4. In FIG. 12, the flow form of the counter flow is taken as an example in this embodiment so that the flow of hydrogen gas and air is shown in relation to the position in the cell plane. As shown in FIG. 12, the AN channel (
図8に示すステップS5では、アノード側及びカソード側のそれぞれについて、図12に示す相対湿度分布の結果から過飽和度σ1(相対湿度が100%を越えた分)及び未飽和度σ2(相対湿度が100%を下回った分)を算出し、液水生成速度Vvap→liq及び液水蒸発速度Vliq→vapを以下の式により算出する。これは、反応ガス流路での水の相(気相、液相)が変化することに鑑みて、水素流路25A及び空気流路25BにおけるVvap→liq及びVliq→vapをそれぞれ算出することにしたものである。
Vvap→liq=k1×σ1
Vliq→vap=k2×σ2
ここで、係数k1、k2は、温度や撥水性による因子であり、反応ガス流路の物性によるものである。係数k1、k2は、実験から予めマップ化される。In step S5 shown in FIG. 8, for each of the anode side and the cathode side, the degree of supersaturation σ 1 (relative humidity exceeds 100%) and the degree of unsaturation σ 2 (relative) from the result of the relative humidity distribution shown in FIG. The liquid water generation rate V vap → liq and the liquid water evaporation rate V liq → vap are calculated by the following equations. This is because V vap → liq and V liq → vap in the
V vap → liq = k 1 × σ 1
V liq → vap = k 2 × σ 2
Here, the coefficients k 1 and k 2 are factors due to temperature and water repellency, and are due to the physical properties of the reaction gas flow path. The coefficients k 1 and k 2 are mapped in advance from the experiment.
図8に示すステップS6では、アノード側及びカソード側のそれぞれについて、反応ガス流路での水移動速度V_liqを以下の式により算出する。反応ガス流路での反応ガスの流れによって液水が吹き飛ばされてセル面内から排出されるので、このことを考慮して、水素流路25A及び空気流路25Bのそれぞれにおける水移動速度V_liqを算出することにしたものである。
V_liq=k3×V_gasIn step S6 shown in FIG. 8, the water movement speed V_liq in the reaction gas flow path is calculated by the following equation for each of the anode side and the cathode side. Since the liquid water is blown off by the flow of the reaction gas in the reaction gas channel and is discharged from the cell surface, the water movement speed V_liq in each of the
V_liq = k 3 × V_gas
ここで、水移動速度V_liqとは、反応ガスによって吹き飛ばされる液水の移動速度である。また、V_gasとは、反応ガス流路での水蒸気流量であり、反応ガスの供給流量や水蒸気分圧等の状態量に関するマップから算出されたものが用いられる。係数k3は、温度や撥水性による因子であり、反応ガス流路の物性によるものである。係数k3は、実験から予めマップ化される。Here, the water movement speed V_liq is the movement speed of the liquid water blown off by the reaction gas. V_gas is a water vapor flow rate in the reaction gas flow path, and is calculated from a map relating to a state quantity such as a reaction gas supply flow rate or a water vapor partial pressure. Coefficient k 3 is the factor with temperature or water repellency is due to the physical properties of the reaction gas channel. Coefficient k 3 is mapped in advance from experiments.
図13は、ステップS4〜S6を経て算出したセル面内の残水量分布の一例を示す図である。この残水量分布は、ステップS4で算出した反応ガス流路の相対湿度分布(図12)に、反応ガス流路での液水の変化(すなわち、上記ステップS5及びS6で算出したVvap→liq、Vliq→vap及びV_liq)を考慮することで求められる。図13から理解されるように、水素流路25Aでは水素出口27b側の方が水素入口27a側よりも残水量が多く、空気流路25Bでは空気出口28b側に向かうにつれて徐々に残水量が減っている。なお、図面として表さないが、セル面内の含水量分布は、ステップS4で算出した電解質膜23の相対湿度分布(図12)から求めることができるものであり、この相対湿度分布と近似したものとなる。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of the residual water amount distribution in the cell plane calculated through steps S4 to S6. This residual water amount distribution is based on the relative humidity distribution (FIG. 12) of the reaction gas flow path calculated in step S4, and the change in liquid water in the reaction gas flow path (that is, V vap → liq calculated in steps S5 and S6). , V liq → vap and V_liq). As understood from FIG. 13, in the
以上説明した手順により、ある計算時間における単セル2iの残水量及び含水量の変化量(水収支)が計算でき、水素流路25Aの残水量分布、空気流路25Bの残水量分布及び電解質膜23の含水量分布を求めることができる。セル面内を感度のあるメッシュ(例えば図13に示す5つのメッシュ)の粗さで水収支を計算することができ、どの部分にどれだけの残水量及び含水量があるのかを精度良く推定することができる。By the procedure described above, the amount of residual water and the change in water content (water balance) of the
2.推定に際してのセル積層方向の温度バラツキ・配流バラツキの考慮
各単セル2iについてのTIN,i、TOUT,i、Pair,i、PH2,i、Qair,i及びQH2,iを求めるには、次のように行う。 2. T IN for temperature variation, flow distribution variation in consideration each single cell 2 i in the cell lamination direction during estimation, i, T OUT, i, P air, i, P H2, i, Q air, i and Q H2, i Is obtained as follows.
(1)セル入口温度T IN,i の算出について
図14に示すように、先ず、スタック入口温度Tin、冷媒流量QLLC、外気温T外気、及び車速V車速を読み込む(ステップS11)。ここで、Tinは、温度センサT1による検出値である。QLLCは、燃料電池1に供給される冷媒流量であり、冷却ポンプ50の回転数その他の検出値から推定することができる。あるいは、冷媒流路51に流量センサを設け、流量センサによる検出値を用いてもよい。T外気は、外気温センサ62による検出値であり、V車速は、車速センサ63による検出値である。 (1) Calculation of Cell Inlet Temperature T IN, i As shown in FIG. 14, first, the stack inlet temperature T in , the refrigerant flow rate Q LLC , the outside air temperature T outside air , and the vehicle speed V vehicle speed are read (step S11). Here, T in is a value detected by the temperature sensor T1. Q LLC is the flow rate of the refrigerant supplied to the
一般に、セル積層体3では、反応ガスの供給口14から遠ざかるにつれて、つまりセルチャンネル「i」が大きくなるにつれて放熱量が大きくなる。また、放熱の影響は、冷媒流量、外気温及び車速に応じて変化する。例えば、図15Aに示すように、冷媒流量QLLCが多いほど(Q1>Q2)、スタック入口温度TINは放熱の影響を受けずに済む。つまり、セル入口温度TIN,iがスタック入口温度TINよりも低下せずに済む。また、図15Bに示すように、T外気が高いほど(T外気1>T外気1)、スタック入口温度TINは放熱の影響を受けずに済む。In general, in the
そこで、このような放熱による冷媒温度の低下を考慮し、セル入口温度TIN,iを次の関数として算出する(ステップS12)。
TIN,i=f(QLLC、TIN、T外気、V車速)
これにより、上記したQLLC、TIN、T外気及び車速の各値からセルチャンネルiに対応するセル入口温度TIN,iを求めることができる。Therefore, the cell inlet temperature TIN , i is calculated as the following function in consideration of such a decrease in the refrigerant temperature due to heat dissipation (step S12).
T IN, i = f (Q LLC , T IN , T outside air , V vehicle speed )
As a result, the cell inlet temperature T IN, i corresponding to the cell channel i can be obtained from the above values of Q LLC , T IN , T outside air, and vehicle speed.
(2)エア流量Q air,i 及びエア背圧P air,i の算出について
図16に示すように、先ず、エア流量Qair、エア背圧Pair、スタック入口温度TIN、スタック出口温度TOUT及び電流値Iを読み込む(ステップS21)。ここで、エア流量Qair、エア背圧Pair及びスタック出口温度TOUTは、それぞれ、流量センサF1、圧力センサP1及び温度センサT2による検出値である。また、ステップS21では、マニホールド15aに流入するエアのガス密度をスタック入口温度TIN及びエア流量Qairの関数として算出する。 (2) Calculation of air flow rate Q air, i and air back pressure P air, i As shown in FIG. 16, first, air flow rate Q air , air back pressure P air , stack inlet temperature T IN , stack outlet temperature T OUT and current value I are read (step S21). Here, the air flow rate Q air , the air back pressure P air and the stack outlet temperature T OUT are values detected by the flow rate sensor F1, the pressure sensor P1 and the temperature sensor T2, respectively. In step S21, the gas density of the air flowing into the manifold 15a is calculated as a function of the stack inlet temperature T IN and the air flow rate Q air .
次のステップS22では、単セル2iにおける残水量に基づいて、当該単セル2iのP−Q特性(エア背圧とエア流量との関係を表す特性)を決定する。例えば、図17に示すような、複数の残水量(x>y)に応じたP−Q特性(圧力―流量特性)を示すマップを予め取得しておき、図8に示すフローによって算出した直前の残水量(単セル2iのカソード側残水量の合計量。)に対応するP−Q特性を決定する。In the next step S22, based on the residual water content in the
次に、エア流量Qair、エア背圧Pair、スタック出口温度TOUT、上記で算出したガス密度及び各単セル2iのP−Q特性の関数として、セル入口圧力分布、セル流入流量分布及びセル出口圧力分布をマップより算出する(ステップS23)。これらの一例を示すと、図18A〜Cに示すとおりとなる。ここで、図18Bに示すセル流入流量及び図18Cに示すセル出口圧力は、セルチャンネルiに対応するエア流量Qair,i及びエア背圧Pair,iに相当するので、これらを求めることができる(ステップS24)。Next, as a function of the air flow rate Q air , the air back pressure P air , the stack outlet temperature T OUT , the gas density calculated above, and the PQ characteristics of each
なお、詳述しないが、単セル2iの水素流量QH2,i及び水素圧PH2,iについても、エア流量Qair,i及びエア背圧Pair,iの算出と同様の手法により算出することができる。この場合には、図18Aに示すセル入口圧力が水素圧PH2,iに相当し、図18Bに示すセル流入流量が水素流量QH2,iに相当するので、これらを求めることができる。Although not described in detail, the hydrogen flow rate Q H2, i and the hydrogen pressure P H2, i of the
(3)セル出口温度T OUT,i の算出について
図19に示すように、先ず、温度センサT2の検出値として、スタック出口温度TOUTを読み込む(ステップS31)。また、上述したスタック入口温度TINの場合と同様に、冷媒流量QLLC、外気温T外気、及び車速V車速を読み込む。さらに、セル電圧Vi及び電流値Iを読み込み、単セル2iごとのI−V特性から各単セル2iの発熱量Qcell,iを推定する。 (3) Calculation of cell outlet temperature T OUT, i As shown in FIG. 19, first, the stack outlet temperature T OUT is read as the detection value of the temperature sensor T2 (step S31). Further, as in the case of the stack inlet temperature T IN described above, the refrigerant flow rate Q LLC , the outside air temperature T outside air , and the vehicle speed V vehicle speed are read. Further, reads the cell voltage V i and the current value I, to estimate the heat generation amount Q cell, i of each single cell 2 i from the I-V characteristic of each unit cell 2 i.
ここで、セル電圧Viは、図示省略したセルモニタによって検出される各単セル2iの電圧値を用いることができる。ただし、セルモニタ等のセンサを使うのではなく、各単セル2iにI−Vマップ(発電量、エア流量、水素流量、エア背圧、水素圧に依存)をもたせることでセル電圧Viを推定することもできる。なお、発熱量Qcell,iは、T△Sによる発熱と過電圧による熱損失とに起因したものである。Here, the voltage value of each
上述したスタック入口温度TINと同様に、セル積層体3における単セル2iの位置に応じて、スタック出口温度TOUTは放熱の影響を受ける。例えば、図20に示すように、冷媒流量QLLCが多いほど(QLLC1<QLLC2)、スタック出口温度TOUTは放熱の影響を受けずに済む。Similar to the stack inlet temperature T IN described above, the stack outlet temperature T OUT is affected by heat radiation depending on the position of the
そこで、発熱量Qcell,iのほか、冷媒流量QLLC,i及び放熱を考慮し、セル出口温度TOUT,iを次の関数として算出する(ステップS32)。
TOUT,i=f(Qcell,i、QLLC,i、TOUT、T外気、V車速)
これにより、これらのパラメータに示す各検出値又は推定値からセルチャンネルiに対応するセル出口温度TOUT,iを求めることができる。Therefore, the cell outlet temperature T OUT, i is calculated as the following function in consideration of the heat generation amount Q cell, i , the refrigerant flow rate Q LLC, i and the heat radiation (step S32).
T OUT, i = f (Q cell, i , Q LLC, i , T OUT , T outside air , V vehicle speed )
Thereby, the cell outlet temperature T OUT, i corresponding to the cell channel i can be obtained from each detected value or estimated value indicated by these parameters.
なお、QLLC,iは、各単セル2に供給される冷媒流量であり、燃料電池スタック1を一点として考えたときの上記の冷媒流量QLLCについて配流バラツキを考慮したものである。具体的には、冷媒流量QLLCとセルチャンネルiとの関係を表すマップをいくつかの冷媒流量QLLCごとに予め作成しておくことで、このマップを用いて、セルチャンネルiに対応するQLLC,iを算出することができる。Note that Q LLC, i is the refrigerant flow rate supplied to each
以上説明した(1)〜(3)の手順によれば、図8に示すフロー(ステップS1,S2及びS4)において、各単セル2iの状態量についてセル積層方向の温度分布(放熱量のバラツキなど)及び圧損分布(酸化ガス、燃料ガス及び冷媒の配流バラツキなど)を考慮した値を用いることができる。これにより、燃料電池1をスタックとしての一点で捉える場合に比べて、全ての単セル2について(つまりセル積層方向において)残水量分布及び含水量分布を精度良く推定することができる。According to the procedure of described above (1) to (3), in the flow (steps S1, S2 and S4) shown in FIG. 8, the temperature distribution (heat radiation amount in the cell lamination direction about the state of each single cell 2 i A value that takes into account the distribution of pressure loss and the distribution of pressure loss (oxidation gas, fuel gas, refrigerant distribution, etc.). Thereby, compared with the case where the
D.システム放置中の推定及びその推定結果を利用した制御例
先ず、図21〜図24を参照して、燃料電池システム100の運転停止、放置及び再始動のパターンにおける一般的な残水量の変動について説明し、次に、図25及び図26を参照して、燃料電池システム100の放置期間中のアノード側残水量の推定について説明する。そして最後に、図27A,Bを参照して、放置期間中の推定結果を利用した制御例について説明する。 D. Example of estimation while system is left and control result using estimation result First, with reference to FIG. 21 to FIG. 24, general fluctuations in the amount of remaining water in the pattern of operation stop, leaving and restart of the
図21は、本実施形態に係る制御例を実行しない場合の時間経過に伴う単セル2の残水量の変化の一例を示す図である。
図21に示すように、燃料電池システム100の運転中の区間(タイムt1まで)では、カソード側の残水量はアノード側の残水量よりも多くなっている。これは、上述したように、カソード側では単セル2の発電に伴って水が生成されるからである。タイムt1で燃料電池システム100の運転を停止すると、その後の放置区間(タイムt1〜t2)では、水蒸気分圧差(温度差)によりカソード側からアノード側へと水が移動し、残水量の大きさが逆転し得る。また、アノード側の残水量が、システム停止時(タイムt1)よりもシステム再始動時(タイムt2)の方が大きくなることがある。FIG. 21 is a diagram illustrating an example of a change in the remaining water amount of the
As shown in FIG. 21, the remaining amount of water on the cathode side is larger than the remaining amount of water on the anode side in the section during operation of the fuel cell system 100 (until time t 1 ). This is because, as described above, water is generated along with the power generation of the
図22A及びBは、図9に示すセル積層体3をモデルにした場合におけるシステム再始動時(タイムt2)の水素流路25Aの残水量分布及び圧損分布の一例を示す。
図22Aに示すように、端部セル2aほど残水量が多く、セル積層方向の中央部にある単セル2(以下、これを主セル2bという。図9参照。)の残水量が少ないことが分かる。特に、セル積層方向の奥側(セル積層体3における反応ガスの供給方向下流側)の端部セル2aは、セル積層方向の手前側の端部セル2aよりも残水量が多くなる。この残水量が多いほど、水素ガスの流れが阻害されるため、水素流路25Aでの圧損が高くなる(図22B参照)。22A and 22B show an example of the residual water amount distribution and the pressure loss distribution in the
As shown in FIG. 22A, the
図23は、図9に示すセル積層体3をモデルにした場合におけるシステム放置中のセル温度の変化の一例を示す。
図23の曲線L1〜L3に示すように、燃料電池システム100の放置期間(=t2−t1)が長くなるほど、セル温度は大きく低下する。セル温度は、セル積層体3での単セル2の位置に応じて異なり、端部セル2aのセル温度が最も低くなる。これは、セル積層体3の端部ほど放熱量が大きいからである。なお、セル温度とは、例えば、上記したセル出口温度TOUT,iである。FIG. 23 shows an example of a change in cell temperature while the system is left when the
As shown by curves L 1 to L 3 in FIG. 23, the cell temperature greatly decreases as the standing period (= t 2 −t 1 ) of the
図24は、システム放置中における単セル2の温度と飽和水蒸気圧との関係の一例を示す。
図24に示すように、任意の単セル2において、セル積層方向外側のアノード電極24Aの温度TANは、これよりもセル積層方向内側のカソード電極24Bの温度TCAよりも低くなり易い。この温度差△Tは、主セル2bよりも端部セル2aの方が大きくなり易い。これは、上記した放熱量の違いからである。温度差△Tによって、電極24A,24B間に水蒸気分圧の差が発生し、カソード電極24B側からアノード電極24A側へと電解質膜23を透過して水が移動する。この温度差△Tが大きいほど水蒸気分圧の差が大きくなるため、水の移動量が多くなる。FIG. 24 shows an example of the relationship between the temperature of the
As shown in FIG. 24, in any
システム放置中の水移動の結果、システム再始動時に、水素流路25Aに対し水素ガスの供給量が不足するおそれがある。特に、燃料電池システム100の車両搭載状態でのWOT(Wide Open Throttle:スロットルバルブ全開)など、急速な出力上昇要求がある場合、水素ガスの供給量不足となる可能性が高い。供給量不足となると、MEA20が劣化するおそれがある。システム再始動時の水素ガスの供給量不足を抑制するためには、システム放置中の水移動を精度良く把握して、水素流路25A内の残水量を適切な状態に維持することが望ましい。
As a result of water movement while the system is left, there is a risk that the supply amount of hydrogen gas to the
そこで、本実施形態では、システム放置中にも水素流路25A内の残水量分布を推定するようにしており、そのために、システム放置中に単セル2の温度を取得するようにしている。この場合、単セル2の温度として、上記したセル出口温度TOUT,iを取得する。つまり、本実施形態では、上記「(3)セル出口温度TOUT,iの算出について」に記載の方法を用いることで、温度センサT2により一つのスタック出口温度TOUTを検出し、推定部67がこの検出値から各単セル2のセル出口温度TOUT,iを算出する。Therefore, in the present embodiment, the residual water amount distribution in the
ここで、上記したシステム運転中のセル出口温度TOUT,iの算出では、次の関数を用いた。
TOUT,i=f(Qcell,i、QLLC,i、TOUT、T外気、V車速)
しかし、システム放置中のセル出口温度TOUT,iの算出では、発熱量Qcell,i、冷媒流量QLLC,i、及びV車速のパラメータは用いなくてよい。システム放置中では、これらの値はゼロとなるからである。
したがって、システム放置中のセル出口温度TOUT,iとしては、セル積層体3における放熱量のバラツキを考慮した次の関数から算出されるものが用いられる。
TOUT,i=f(TOUT、T外気)Here, in the calculation of the cell outlet temperature T OUT, i during the system operation described above, the following function was used.
T OUT, i = f (Q cell, i , Q LLC, i , T OUT , T outside air , V vehicle speed )
However, in calculating the cell outlet temperature T OUT, i while the system is left, the parameters of the calorific value Q cell, i , the refrigerant flow rate Q LLC, i , and the V vehicle speed may not be used. This is because these values are zero when the system is left unattended.
Therefore, as the cell outlet temperature T OUT, i while the system is left standing, a value calculated from the following function considering the variation of the heat radiation amount in the
T OUT, i = f (T OUT , T outside air )
ここで、システム放置中にセル出口温度TOUT,iを算出する回数は、少なくとも1回であるが、好ましくは複数回であるとよい。この理由について図25を参照して説明する。Here, the number of times the cell outlet temperature T OUT, i is calculated while the system is left is at least once, but preferably a plurality of times. The reason for this will be described with reference to FIG.
図25は、システム停止からシステム再始動まで(すなわちシステム放置中)のセル出口温度TOUT,iの時間変化を示す。燃料電池システム100がおかれる条件によって、システム放置中のセル出口温度TOUT,iの降温プロファイルは異なる。このため、図25に点線で示す降温プロファイル1と、同じく実線で示す降温プロファイル2とでは、セル積層体3における温度分布のつきかたも異なり、電極間の温度差△Tによる水素流路25A内への水移動量が異なることになる。FIG. 25 shows the time change of the cell outlet temperature T OUT, i from the system stop to the system restart (that is, the system is left). Depending on the conditions under which the
この点、仮に、システム停止時及びシステム再始動時におけるセル出口温度TOUT,iの温度情報のみで推定を行おうとすると、システム放置中にセル出口温度TOUT,iがどのような降温プロファイルをたどるのかを把握することができない。その結果、水素流路25内の残水量分布の推定精度が悪くなる。また、システム放置中にセル出口温度TOUT,iを1回しか算出しない場合には、ある程度の降温プロファイルを把握することができるが、より高精度に把握するにはセル出口温度TOUT,iを複数回算出することが好ましい。In this regard, if an attempt is made to estimate only the temperature information of the cell outlet temperature T OUT, i when the system is stopped and the system is restarted , what kind of temperature drop profile does the cell outlet temperature T OUT, i have while the system is left alone? I can't figure out what to follow. As a result, the estimation accuracy of the residual water amount distribution in the hydrogen flow path 25 is deteriorated. In addition, when the cell outlet temperature T OUT, i is calculated only once while the system is left, it is possible to grasp a certain temperature drop profile, but in order to grasp with higher accuracy, the cell outlet temperature T OUT, i Is preferably calculated a plurality of times.
そこで、図26に示すように、本実施形態では、システム放置中に各単セル2のセル出口温度TOUT,iを複数回算出し(参照:プロットA1〜A3)、この複数回の算出結果から、システム放置中のセル出口温度TOUT,iの温度変化を示す温度プロファイルを高精度に取得するようにしている。そして、その取得した温度プロファイルからシステム放置中の温度分布の推移を推定し、上記の「1.セル面内での水分布の推定方法」を用いることで、システム放置中のアノード側の残水量分布を含む水分量の分布を推定している。Therefore, as shown in FIG. 26, in the present embodiment, the cell outlet temperature T OUT, i of each
したがって、以上説明した本実施形態に係るシステム放置中のアノード側残水量の推定によれば、システム放置中の水移動を精度良く把握することができるので、システム放置中の水素流路25A内の残水量を精度良く推定することができる。これにより、水素流路25A内の残水量に応じた対策制御(例えば後述する掃気処理)を的確に行うことができる。
Therefore, according to the estimation of the anode side residual water amount while the system is left according to the present embodiment described above, it is possible to accurately grasp the water movement while the system is left. The amount of remaining water can be estimated accurately. Thereby, countermeasure control (for example, a scavenging process described later) according to the amount of remaining water in the
なお、システム放置中にタイマーを用いて、システム停止からシステム再始動までのある一時的な期間のみ、上記推定(セル出口温度TOUT,iを取得し、それに基づく水素流路25A内の残水量の推定)を行ってもよい。Note that the estimated value (cell outlet temperature T OUT, i is acquired and the remaining water amount in the
次に、図27A,Bを参照して、システム放置中の水素流路25A内の残水量についての上記推定結果を利用した制御例を説明する。この制御例は、上記した温度プロファイルの監視によりシステム放置中に推定された水素流路25A内の残水量が所定の閾値に達したときに、水素流路25Aに対して掃気処理を実行するものである。なお、この掃気処理に関連する制御は、推定部67からの信号を受けた運転制御部68によって実行される。
Next, with reference to FIGS. 27A and 27B, a control example using the above estimation result of the remaining water amount in the
図27Aの縦軸は単セル2の残水量を示しており、同図には単セル2におけるアノード残水量(水素流路25A内の残水量の総量の推定値)及びカソード残水量(空気流路25B内の残水量の総量の推定値)の推移が表されている。残水量W1は、掃気処理の実行の有無を決定する閾値であり、水素流路25A内の水詰り発生残水量を示している。The vertical axis of FIG. 27A shows the residual water amount of the
図27Aに示すように、システム放置中は上記のとおり水移動が行われるため、時間経過に伴いカソード残水量が減る一方、その分、アノード残水量が増加する。本制御例では、図27Bに示すように、このアノード残水量が残水量W1に達した場合に(時間t1)、水素ポンプ46を一定期間(=時間t2−t1)だけ回転させることで掃気処理を行う。この場合、残水量W1に達したか否かを比較するアノード残水量は、少なくとも一つの単セル2又は端部セル2aのアノード残水量であればよい。そして、このような掃気処理によって、水素ポンプ46から圧送されたガスが水素流路25A内の液水を持ち去り、アノード残水量が低下することになる。その後、時間t3に示されるように、アノード残水量が再び残水量W1に達することがあれば、再度、水素ポンプ46を回転させて掃気処理を実行するようにする。As shown in FIG. 27A, since the water movement is performed as described above while the system is left, the amount of remaining cathode water decreases with time, while the amount of remaining anode water increases accordingly. In this control example, as shown in FIG. 27B, when the amount of remaining anode water reaches the amount of remaining water W 1 (time t 1 ), the
このように、本実施形態の制御例によれば、精度の高い水分布の推定結果を利用しているので、システム放置中に適切に掃気処理することができる。これにより、システム再始動時に過剰な残水量に対する対策を施さなくて済むので、ユーザのドラビリの向上に寄与できる。また、システム再始動時に掃気処理のために水素ポンプ46を回転させなくて済み、騒音が低減されるので、NVを向上することもできる。さらに、システム再始動時に、水素流路25Aへの水素ガス供給不足を抑制することができ、燃費の向上にもつながる。一方、システム放置中に掃気処理を実行することにより、システム停止時及びシステム再始動時に掃気処理する場合の掃気処理時間を短縮することができる。
As described above, according to the control example of the present embodiment, since the highly accurate estimation result of the water distribution is used, the scavenging process can be appropriately performed while the system is left. Thereby, since it is not necessary to take measures against the excessive residual water amount when the system is restarted, it is possible to contribute to improvement of the user's drivability. Further, it is not necessary to rotate the
なお、別の実施態様においては、不活性ガス(例えば窒素)を水素流路25Aに供給することで、掃気処理を行うことも可能である。
In another embodiment, the scavenging process can be performed by supplying an inert gas (for example, nitrogen) to the
1:燃料電池、2:単セル、2a:主セル、2b:端部セル、23:電解質膜、24A:アノード電極、24B:カソード電極、25A:水素流路(燃料ガス流路)、25B:空気流路(酸化ガス流路)、67:推定部、68:運転制御部、100:燃料電池システム、300:空気配管系、400:水素配管系、500:冷媒配管系、600:制御装置 1: fuel cell, 2: single cell, 2a: main cell, 2b: end cell, 23: electrolyte membrane, 24A: anode electrode, 24B: cathode electrode, 25A: hydrogen channel (fuel gas channel), 25B: Air flow path (oxidation gas flow path), 67: estimation section, 68: operation control section, 100: fuel cell system, 300: air piping system, 400: hydrogen piping system, 500: refrigerant piping system, 600: control device
Claims (4)
前記電解質膜を介して前記アノード電極と前記カソード電極との間で行われる水移動と、当該燃料電池システムの停止から再始動されるまでの放置期間中に前記各単セルの温度を複数回算出して得られる当該各単セルの降温プロファイルと、を考慮して、当該放置期間中の各単セルのセル面内における前記燃料ガス流路の残水量分布を推定する推定部と、
前記推定された残水量分布から把握される前記燃料ガス流路における残水量の総量が所定の閾値に達した場合に、前記燃料ガス流路に対して掃気処理を実行する運転制御部と、を備えた、燃料電池システム。 A plurality of single cells each having an anode electrode, a cathode electrode, an electrolyte membrane between them, a fuel gas channel for supplying fuel gas to the anode electrode, and an oxidizing gas channel for supplying oxidizing gas to the cathode electrode are stacked. A fuel cell system including a fuel cell,
The water movement performed between the anode electrode and the cathode electrode through the electrolyte membrane, and the temperature of each single cell is calculated a plurality of times during the standing period from the stop to restart of the fuel cell system In consideration of the temperature drop profile of each single cell obtained as described above, an estimation unit that estimates the residual water amount distribution of the fuel gas flow channel in the cell plane of each single cell during the standing period ,
An operation control unit that performs a scavenging process on the fuel gas flow path when a total amount of residual water in the fuel gas flow path ascertained from the estimated residual water flow distribution reaches a predetermined threshold; A fuel cell system provided .
前記推定部は、前記温度センサにより検出された一つの温度を用いて、前記各単セルの温度を算出する、請求項1に記載の燃料電池システム。 A temperature sensor for detecting a temperature related to the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the estimation unit calculates the temperature of each single cell using one temperature detected by the temperature sensor.
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